二甲醚、生物柴油及其混合燃料物性估算和缸内工作过程模拟研究

论文摘要

石油短缺和环境污染问题日益严重,对此,人们在积极地采取应对措施。在车用发动机方面,使用清洁、可再生的代用燃料已被证明是是缓解石油资源消耗、减少环境污染的行之有效的措施。二甲醚和生物柴油性能优良,近年来得到广泛重视,成为国内外相关领域的研究热点。与发动机缸内工作过程相关的很多研究,尤其是进行数值模拟时,燃料的物性数据相当重要,而实验数据资源往往不能满足要求,需要采用估算方法获得足够的数据。本文总结出一套物性数据的估算方法,采用Fortran语言编写了相关计算程序,计算了二甲醚、生物柴油及其混合燃料的的气化潜热、饱和蒸汽压、液体粘度、表面张力、导热系数以及焓值等物性参数,得到大量具有较高精度的物性数据,建立了模拟计算必需的物性参数数据表。通过对不同燃料的物性进行对比分析,深入了解了这些燃料的特性以及因某些性质带来应用上的局限。在物性研究的基础上,本文以直喷化1105柴油机为模型,使用KIVA-3V程序对柴油、二甲醚、生物柴油以及二甲醚和生物柴油的混合物进行了燃烧性能和排放性能的模拟研究,对不同燃料的模拟结果进行了对比和分析。针对纯生物柴油NOx排放较高的问题,本文重点从两个方面进行了研究,第一,从缸内流场组织方面考虑,对敞口型和两种缩口型燃烧室进行了数值模拟,进而对比分析了燃烧室形状对缸内流场、温度场以及污染物生成的影响;第二,在生物柴油中添加二甲醚形成混合燃料,通过改变二甲醚的添加比例,研究了不同添加比例对混合燃料的燃烧性能和排放性能的影响。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 论文研究背景及意义
• 1.2 二甲醚和生物柴油的特点
• 1.2.1 二甲醚
• 1.2.2 生物柴油
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 二甲醚
• 1.3.2 生物柴油
• 1.3.3 混合燃料
• 1.4 主要研究内容
• 2 燃料物性的研究
• 2.1 二甲醚热力学性质的估算
• 2.1.1 气化潜热
• 2.1.2 饱和蒸汽压
• 2.1.3 液体粘度
• 2.1.4 表面张力
• 2.1.5 导热系数
• 2.1.6 标准生成焓
• 2.2 生物柴油热力学性质的估算
• 2.2.1 生物柴油的临界特性
• 2.2.2 气化潜热
• 2.2.3 饱和蒸汽压
• 2.2.4 液体粘度
• 2.2.5 表面张力
• 2.2.6 导热系数
• 2.2.7 标准生成焓和焓值
• 2.2.8 生物柴油的密度
• 2.3 三种燃料物性的比较
• 2.4 互溶性研究
• 2.4.1 溶解度理论
• 2.4.2 二甲醚/生物柴油互溶性分析
• 2.5 二甲醚/生物柴油混合燃料物性估算
• 2.5.1 混合燃料的临界特性
• 2.5.2 混合燃料的气化潜热和饱和蒸汽压
• 2.5.3 混合燃料的粘度
• 2.5.4 混合燃料的表面张力
• 2.5.5 混合燃料的导热系数
• 2.5.6 混合燃料的0K生成焓和焓值
• 2.5.7 混合燃料密度
• 2.6 本章小结
• 3 缸内燃烧过程多维数学模型的建立
• 3.1 数学模型的建立
• 3.1.1 基本控制方程
• 3.1.2 燃烧多维模型
• 3.2 数值方法和边界条件
• 3.2.1 数值方法
• 3.2.2 边界条件
• 3.2.3 初始条件
• 3.3 本章小结
• 4 KIVA-3V程序介绍和运行前准备
• 4.1 KIVA-3V的求解过程
• 4.2 KIVA-3V的实际操作过程
• 4.3 运行前准备
• 4.3.1 燃料库的扩充
• 4.3.2 计算网格的生成
• 4.3.3 本文所用发动机模型
• 4.3.4 主程序输入数据准备
• 4.3.5 输出文件及后处理
• 4.4 本章小结
• 5 模拟结果与分析
• 5.1 二甲醚、柴油和生物柴油的模拟结果分析
• 5.1.1 缸内平均压力和平均温度
• 5.1.2 NO和CO的生成
• 5.1.3 燃油喷射
• 5.2 燃烧室形状对生物柴油燃烧和排放性能的影响
• 5.2.1 缸内流场
• 5.2.2 缸内平均压力和平均温度
• 5.2.3 NO和CO的生成
• 5.3 生物柴油中添加不同比例二甲醚时的模拟结果分析
• 5.3.1 缸内平均压力和平均温度
• 5.3.2 缸内温度场
• 5.3.3 NO和CO生成
• 5.3.4 燃油喷射
• 5.4 本章小结
• 6 结论及展望
• 6.1 本文主要研究结论
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 附录A
• 附录B
• 学位论文数据集